彩虹的形成原理

咸立德

摘 要：现代物理学关于彩虹的形成原理是错误的。细小水珠在稳定的下落时，水珠在空气的助力下形成卵形（椭球体）性质，光在卵形水珠内才能形成全反射，所以，细小水珠在下落中具有卵形性质才是形成彩虹的必要条件。

关键词：彩虹 椭球形水珠 色变 全反射

本文对现代物理学中的彩虹形成原理提出了质疑，同时用另一种理论重新解释了彩虹的形成原理，意在让人类重新认识彩虹这一自然现象的真实性。

一、对现代物理学中的彩虹形成原理的质疑

现代物理学认为，彩虹是太阳光照射到空气中的细小球形水珠时，太阳光经过了两次折射（同时色散）和一次全反射而形成的一种自然现象。如图1（a）所示。

这种逻辑与推理是违背光的全反射的条件的。如图1（b）所示，当太阳光在a点以入射角为∠1进入小水珠，折射后，折射角为∠2，然后到达水珠的界面b点，在b点的入射角为∠3。根据水珠的球形性质及折射定律，有∠2=∠3，所以，光完全可以在b点以∠4的折射角射出水珠，而且有∠1=∠4。

又，根据光的全反射的条件，当∠4=90°时，即∠1=90°时，在b点才能发生全反射。但是，当入射角∠1=90°时，即是光沿着水珠的切线方向，光是不会进入水珠的。另一方面，即便是在a处，以极近90°的入射角能射入水珠，而且在b处能发生全反射，那么根据水珠的球形性质，如图1（a），在c处也应当发生全反射的，就不会在射出水珠。况且，太阳光以极近90°的入射角射入水珠的光应当很少，因为光随着入射角的增大，反射性能会逐渐增强而折射性能逐渐减弱。

由以上分析可知，现代物理学关于彩虹的形成原理是完全错误的。

二、彩虹的成因

若要光在水珠内的发射发生全反射，水珠必须具有椭球性质或者卵形性质。如图2。

由于卵形体表面的两端a、c两处界面曲率较大，中间部分的b处的界面曲率较小，光在两端附近极近90°射入水珠的光，折射后在界面曲率较小的b处发射时，会导致角3大于角2的情况。在b处就具备全反射的条件。即角3很容易大于临界角而发生全反射。

由于b处的界面曲率小于c处的界面曲率，在b处全反射的光不可能在c处继续发生全反射而射出卵形水珠形成彩虹现象。也就是说，水珠具有卵形性质是形成彩虹的必要条件。

当把图2的光路图反过来，就是考虑从a处入射较强的自然光时，在a处射出的光同样可以形成彩虹。这也是在俯视一些有水蒸气的区域时也有彩虹现象的原因，比如俯视瀑布下方的水汽区域，常会出现彩虹。

而在低端附近d入射的光，折射后，同样可以经过e、f处的内反射以及g处的折射而形成霓。同理，在e处也可以发生一次全反射。也就是说，霓的形成原理也必须发生一次全反射才能够产生较强的光的色变而被观测到。

也就是说，按现代物理学的球形水珠来描述彩虹，并不是不存在，只是由于发生的是内反射，而不是全反射，强度就会减弱很多，肉眼是很难观察到的。所以，彩虹的形成，也必须发生一次全反射，才能够有较强的光的色散，足以让肉眼能够观察到。

三、卵形水珠的形成

当水分子形成细小水珠的过程中，质量不是很大时，由于空气的浮力，水珠会漂浮在空气中，此时水珠可以具有极近正球体性质。而当水珠逐渐增大时水珠就会慢慢下落，在下落过程中，水珠会在空气阻力作用下形成上下为长半径的椭球性质，而且具有上大下小的卵形性质。由一下实验可以证明。

实验器材：喷壶一个。

试验方法：用喷壶在阳光下，背向太阳光向上喷出大片细小水珠。

观察结果：彩虹是在水珠稳定下落的区域形成的。

结论：喷壶所喷的水珠，在空气阻力作用下，只有稳定下落过程中具有上下为长半径的椭球或者蛋形性质。此处产生彩虹现象是符合本文的理论的。

分析：彩虹的观察方向和水珠的长半轴的方向有关，彩虹是水珠具有椭球性质形成的。理论上并不是说只有下落过程中才能形成彩虹，在有些情况中，水珠也会在空气流动的影响下，在其它方向上形成椭球性质。在相应的其它方向上也可以形成彩虹。只是在其他方向上的运动基本都不是很稳定的。所以一般情况下，当空气较稳定时水珠的下落就较稳定，才能容易形成彩虹。而当水平方向有运动时本来就是空气不稳定才能导致水平运动，所以水平運动一般会伴随着不稳定，形成水平方向上的长半轴水珠就不稳定，很难形成彩虹。所以，其它方向上的彩虹是稀有的。上下方向的彩虹（昂视或者俯视）是最常见的。

四、结论

彩虹是光在空气和卵形水珠之间发生了两次折射和一次全反射而形成的一种现象。